CN105372061A - 一种滚珠丝杠副轴向加载装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种滚珠丝杠副轴向加载装置，包括轴向加载试验台和滚珠丝杠副试验台，滚珠丝杠副试验台包括试验台机身、位于试验台机身上的滚珠丝杠副以及由滚珠丝杠副驱动的模拟工作台，轴向加载试验台与模拟工作台连接，轴向加载试验台包括加载台机身、设置在加载台机身上的卷动体以及缠绕在卷动体上的加载绳，加载绳的另一端连接在模拟工作台上，在加载台机身上还设置有作用在卷动体上用于控制加载绳加载在模拟工作台上加载力大小的加载力调节装置。本发明可实现对不同型号的滚珠丝杠副进行竖直方向惯性负载与动态轴向负载的施加。本发明装置结构简单，操作方便，运动与测试响应实时性能好，有一定的可靠性。

Description

一种滚珠丝杠副轴向加载装置

技术领域

本发明属于高速精密传动副控制方法测试系统领域，特别涉及一种对滚珠丝杠副在进行轴向加载的装置。

背景技术

进入21世纪后，按照新型工业化道路发展趋势，数控机床与各类机电一体化设备正向高精度、高速度、智能化、绿色环保方向发展。当前航空、汽车、铁路、建筑等重要行业的快速发展，离不开高速、高精度加工的数控机床的发展，这其中包括了高速、重载加工机床所必须的高速精密滚珠丝杠和滚动导轨等功能部件。作为数控机床驱动系统的执行单元，对保障和提高整个数控机床的加工精度、工作效率和综合性能起着至关重要的作用。总体来说，我国目前的装备制造业与欧美，日本等工业发达国家仍然存在着较大差距，滚珠丝杠副的制造水平及性能优劣影响着高精度数控机床的加工性能，因此，尽快突破技术难题，开发性能优良、具有竞争力的高速、高精度滚珠丝杠副，对于加快提升我国制造业的发展具有重要和紧迫的意义。而测试和制造是密不可分、相辅相成的两项关键部分，没有测试，无法检验产品的质量好坏。

目前，滚珠丝杠副性能检测主要是在空载或轻载时进行，即使存在轴向加载装置，采用的多是成本昂贵、控制方式复杂的液压加载装置。

发明内容

技术问题：本发明所要解决的技术问题是提供一种成本低且加载力控制精确的能够实现提供高速滚珠丝杠副轴向加载的轴向加载装置。

技术方案：为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：

一种滚珠丝杠副轴向加载装置，包括轴向加载试验台和滚珠丝杠副试验台，所述滚珠丝杠副试验台包括试验台机身、位于所述试验台机身上的滚珠丝杠副以及由所述滚珠丝杠副驱动的模拟工作台，所述轴向加载试验台所述模拟工作台连接，其特征在于：所述轴向加载试验台包括加载台机身、设置在所述加载台机身上的卷动体以及缠绕在所述卷动体上的加载绳，所述加载绳的另一端连接在所述模拟工作台上，在所述加载台机身上还设置有作用在所述卷动体上用于控制所述加载绳加载在所述模拟工作台上加载力大小的加载力调节装置。

所述加载力调节装置为制动卡钳，该制动卡钳包括控制器、与所述控制器连接的加载电源、与所述加载电源连接的直流电磁铁以及连接在所述电磁铁上的刹车片，所述刹车片在所述电磁铁的作用下与所述卷动体接触，并在所述加载电源不同的电流下产生不同的制动力。

所述制动卡钳还包括一制动卡钳支座，所述电磁铁和刹车片设置在该制动卡钳支座上，该制动卡钳支座与所述加载台机身固连。

所述制动卡钳支座上有滑槽，所述电磁铁安装在滑槽中，所述刹车片固定在电磁铁内侧与滑轮轮面接触。

所述加载台机身上安装有两端对称的固定支座，在两个固定支座之间设置有圆柱轴，在所述的圆柱轴上安装所述的卷动体，该卷动体为两个滑轮，在每个所述滑轮缠绕一根所述加载绳。

所述电磁铁采用直流电磁铁，可以产生恒定的电磁吸引力，并且在控制电流大小的情况下与滑轮轮面产生变化的压力，从而调节轴向载荷。

所述滑轮材料为铁磁体，能够与电磁铁吸引。

在所述滚珠丝杠副试验台机身上安装有位于滚珠丝杠副两侧的直线导轨，每侧直线导轨上安装有两块直线导轨滑块，所述模拟工作台设置在所述两块直线导轨滑块上。

在所述滚珠丝杠副试验台安装有提供动力源的伺服电机，伺服电机的输出轴进过联轴器与滚珠丝杠副一端相连；滚珠丝杠副一端通过固定端支撑单元安装在固定端支撑单元座上，另一端通过支撑端支撑单元安装在支撑端支撑单元座上；滚珠丝杠副两端各安装有一个旋转编码器；丝杠副试验台机身侧面安装有光栅尺。

所述滚珠丝杠副一端通过轴承安装在固定的密封单元支架上，所述滚珠丝杠副的另一端通过轴承安装在轴承座上，滚珠丝杠副螺母通过螺母套安装在模拟工作台下部；所述滚珠丝杠副试验台底座采用中部凹陷结构，凹陷平面上安装有T型槽滑轨；电机座、固定端支撑单元座和支撑端支撑单元座通过槽用螺栓固定在花岗岩底座上，T型槽滑轨中间安装有一个直线导轨，用以保证轴向位置精度。

在所述模拟工作台上设置有拉压力传感器，该拉压力传感器与所述控制器连接用于反馈控制所述加载电源的输出电流大小，所述加载绳连接在该拉压力传感器上。

所述加载绳与所述拉压力传感器中心重合。

有益效果：本发明与现有技术相比，具有以下优点：

1.本发明所述的轴向加载装置利用刹车片与卷动体之间产生的摩擦力来进行轴向载荷施加，操作简单方便，并具有一定的耐久度。

2.本发明轴向加载装置通过动态输出反馈控制器对加载力的大小、加载力波形，加载时间等参数的设置从而控制加载电源的电流大小与变化，以此来控制复合材料刹车片与滑轮轮面的接触压力进行摩擦力的调整。

3.本发明轴向加载装置通过使用对称的钢丝绳与模拟工作台相连，实现轴向载荷的均匀施加，避免轴向载荷施加过程中可能会出现的方向与实际工况不符的情形，并且两根钢丝绳可以共同分担轴向载荷。

4.本发明轴向加载装置，在滑轮转矩一定的情况下，滑轮绕线轴半径小于滑轮外边缘半径，可以对产生的摩擦力进行放大。

5.本发明滚珠丝杠副模拟工作台上可以安装一定的质量块，以此来模拟滚珠丝杠副驱动的惯性载荷，更符合实际的工况。

6.本发明轴向加载装置与滚珠丝杠副模拟工作台之间安装有拉压力传感器，可以实时检测模拟载荷的大小，实现实时监控与反馈，提高轴向加载的精确度。

7.与滚珠丝杠副相连的旋转编码器可以实时监测丝杠的旋转次数，能够减少使用伺服电机内置编码器时，联轴器等部件的中间传递环节误差。

8.申请号为201210464056.3的发明具有电液伺服加载装置的滚珠丝杠副可靠性试验台，虽然可以实现对滚珠丝杠副进行轴向加载的控制，但是液压传动是以液体为工作介质，在相对运动表面间不可避免地会发生泄漏，同时，液体并不是绝对不可压缩的，其传动精确度的要求不易达到。况且在高精度、高速度滚珠丝杠副的试验中，对液压元件的制造精度要求更高，进一步增加了试验运作成本。与此同时不可忽略，电液伺服装置的控制与操作的复杂性。本发明轴向加载装置成本相比于电液伺服加载装置，有了显著的降低，提高了实际操作的可行性。

9.申请号为201310303743.1的发明一种检测滚珠丝杠副加载状态下综合性能的装置，该装置将一定质量的铁块通过绳索与滚珠丝杠副模拟工作台上固定的吊环螺栓相连，通过拉动铁块对滚珠丝杠副进行轴向加载，显而易见，铁块数量有限且能达到的轴向载荷仅为铁块质量的整数倍。操作虽然简单，但是存在加载启动时，铁块存在初始的加速度情形可能会对滚珠丝杠副检测造成一定的影响。本发明轴向加载装置在应用中可以实现轴向加载力的无级调控，相比于沉重的铁块，减少了安装与搬运的繁琐过程，增强了试验中所能达到轴向载荷力的可靠性，且结构更为简单。

10.本发明轴向加载装置可以针对不同型号的滚珠丝杠副进行加载试验，试验中仅需更换安装过度件就可以对其进行可靠性加载试验，体现了本装置的灵活性和通用性。通过对被检测的滚珠丝杠副进行模拟真实工况的可靠性试验，更快捷地发现产品故障，为产品的可靠性增长和评估提供实用的基础数据。

附图说明

图1是本发明的结构示意图。

图2是滚珠丝杠副轴向加载装置左视图。

图3是滚珠丝杠副轴向加载装置中减速部件的结构示意图。

图4是滚珠丝杠副实验台俯视图。

图5是滚珠丝杠副实验台与轴向加载装置俯视图。

其中，1-圆柱轴支座，2-圆柱轴，3-滑轮，4-钢丝绳，5-刹车片，6-轴向加载装置底座，7-制动卡钳固定支座，8-制动卡钳，9-直流电磁铁，10-滚珠丝杠副试验台底座，11-伺服电机，12-电机座，13-固定端支撑单元座，14-前旋转编码器，15-螺母套，16-两侧直线导轨，17-后旋转编码器，18-中部直线导轨，19-支撑端支撑单元，20-支撑端支撑单元座，21-光栅尺，22-光栅尺扫描头，23-模拟工作台，24-拉压力传感器，25-滚珠丝杠副，26-固定端支撑单元，27联轴器，28-导轨座，29-T型槽滑轨，30-控制器。

具体实施方式

以下结合实施例和说明书附图对本发明作进一步的详细说明。

参见图1-图5，本发明一种滚珠丝杠副轴向加载装置，包括轴向加载试验台和滚珠丝杠副试验台，滚珠丝杠副试验台包括试验台机身、位于试验台机身上的滚珠丝杠副25以及由滚珠丝杠副驱动的模拟工作台23，轴向加载试验台连接在模拟工作台23上，轴向加载试验台包括加载台机身、设置在加载台机身上的卷动体以及缠绕在卷动体上的加载绳，在本实施例中，卷动体为滑轮3，加载绳选用钢丝绳4。钢丝绳4的另一端连接在模拟工作台23上，在加载台机身上还设置有作用在滑轮3上用于控制钢丝绳4加载在模拟工作台23上加载力大小的加载力调节装置。

加载力调节装置采用制动卡钳8，制动卡钳包括控制器30、与控制器连接的加载电源、与加载电源连接的直流电磁铁9以及连接在电磁铁上的刹车片5，刹车片5优选复合材料。刹车片5在电磁铁9的作用下与滑轮3轮面接触，并在加载电源可调节的电流下产生不同的制动力。

制动卡钳还包括一制动卡钳支座，电磁铁9和刹车片5设置在该制动卡钳支座上，该制动卡钳支座与加载台机身固连。制动卡钳支座上有滑槽，电磁铁安装在滑槽中，刹车片5固定在电磁铁内侧与滑轮轮面接触。

本发明的工作流程：滚珠丝杠副24启动后，模拟工作台23向远离轴向加载试验台6的方向运行，拉动固定在工作台23侧面拉压力传感器24上的钢丝绳4进行轴向位移。通过动态控制器对电磁铁9施加电流，电磁铁9通电吸合与滑轮3产生压力，将刹车片5加压于滑轮轮面上，利用复合材料刹车片5与滑轮轮面的摩擦产生的阻力模拟轴向载荷的施加。动态输出反馈控制器可实现对加载力的大小、加载力波形，加载时间等参数的设置从而控制电流大小随时间进行变化，同时固定在模拟工作台上的拉压力传感器2将得到的信号通过信号放大器放大后反馈给动态输出反馈控制器，实现闭环控制。

本发明通过控制直流电磁铁电流大小来控制安装在电磁铁内侧的刹车片与滑轮轮面的压力，进而在钢丝绳的带动下，滑轮旋转产生摩擦力。忽略钢丝绳与滑轮绕线轴的摩擦阻力，工作台受到单根钢丝绳拉力F可以计算得到。电磁铁与滑轮面间产生的压力F₁，其中，复合材料刹车片与滑轮的摩擦系数μ，滑轮半径R，滑轮绕线轴半径为r。

F＝μ*F₁*R/r(1)

直流电磁铁吸力：

$F={\left(\frac{\mathrm{\Φ}}{5000}\right)}^2*\frac{1}{S(1+\mathrm{\α}\mathrm{\δ})}---\left(2\right)$

其中：Φ：通过铁芯极化面的磁通量Mx

S：为铁心极化面面积cm²

δ：未吸合时衔铁和铁芯的气隙长度cm

α：修正系数,一般在3～5之间,在此可取其中间值α＝4

在式(1)中磁通量为：

Φ＝IW*G_δ*10⁸(3)

其中:IW：线包的安匝值

G_δ：工作磁通的磁导H

在式(2)中工作磁通的磁导为：

$G_{\mathrm{\δ}}=\frac{2{{\mathrm{\πR}}_0}^2{\mathrm{\μ}}_0}{\mathrm{\δ}}(1-\sqrt{1-\frac{r^2}{{R_0}^2}})---\left(4\right)$

其中:R₀：衔铁旋转位置到铁芯中心的长度cm

μ₀：空气中的磁导率为0.4π*10^-8H/cm

r：极化面的半径cm

根据式(2)-(4)可求出直流电磁铁电流大小：

首先确定滚珠丝杠副所需模拟加载的轴向力大小为2F→根据式(1)计算出电磁铁与滑轮间的接触压力F₁→动态输出反馈控制器设置电流大小→滚珠丝杠副启动→实现轴向加载。

参见图4所示，滚珠丝杠副进给实验台底座10为花岗石材质，底座10为中部凹陷结构，凹陷平面为安装面，安装有T型槽滑轨29。T型槽滑轨29上安装有电机座12、固定端支撑单元座13和支撑端支撑单元座20。同时，T型槽滑轨中间安装有直线导轨18，用以控制导向精度。伺服电机11安装于电机座12上，并与联轴器27相联。试验台采用一端固定，一端支撑的安装方式，滚珠丝杠副25靠近伺服电机11的一端为固定端，由安装在固定端支撑单元座13上的固定端支撑单元26支撑并轴向固定，再联至联轴器27。另一端为支撑端，由安装在支撑端支撑单元座20上的支撑端支撑单元19支撑。固定端支撑单元座13安装有前旋转编码器14，支撑端支撑单元座20安装有后旋转编码器17，前后两旋转编码器都套在滚珠丝杠副25的丝杠轴上。滚珠丝杠副25的螺母通过其法兰面安装在螺母套15上，螺母套15安装于模拟工作台23上。工作台23的两端分别架设在两条直线导轨16上。直线导轨16安装在导轨座28上。工作台23的一侧还安装有光栅尺扫描头22，连接到直线光栅尺21的安装块上。直线光栅尺21水平安装于底座10的安装面上。

滚珠丝杠副试验台配有500kg质量块，同时可实现对工作台模拟施加竖直方向的负载，每一块质量块为25kg，通过螺栓固定在工作台上。

Claims (10)

1.一种滚珠丝杠副轴向加载装置，包括轴向加载试验台和滚珠丝杠副试验台，所述滚珠丝杠副试验台包括试验台机身、位于所述试验台机身上的滚珠丝杠副以及由所述滚珠丝杠副驱动的模拟工作台，所述轴向加载试验台与所述模拟工作台连接，其特征在于：所述轴向加载试验台包括加载台机身、设置在所述加载台机身上的卷动体以及缠绕在所述卷动体上的加载绳，所述加载绳的另一端连接在所述模拟工作台上，在所述加载台机身上还设置有作用在所述卷动体上用于控制所述加载绳加载在所述模拟工作台上加载力大小的加载力调节装置。

2.根据权利要求1所述的滚珠丝杠副轴向加载装置，其特征在于：所述加载力调节装置为制动卡钳，该制动卡钳包括控制器、与所述控制器连接的加载电源、与所述加载电源连接的电磁铁以及连接在所述电磁铁上的刹车片，所述刹车片在所述电磁铁的作用下与所述卷动体接触，并在所述加载电源不同的电流下产生不同的制动力。

3.根据权利要求2所述的滚珠丝杠副轴向加载装置，其特征在于：所述制动卡钳还包括一制动卡钳支座，所述电磁铁和刹车片设置在该制动卡钳支座上，该制动卡钳支座与所述加载台机身固连。

4.根据权利要求3所述的滚珠丝杠副轴向加载装置，其特征在于：所述制动卡钳支座上有滑槽，所述电磁铁安装在滑槽中，所述刹车片固定在电磁铁内侧。

5.根据权利要求1所述的滚珠丝杠副轴向加载装置，其特征在于：所述加载台机身上安装有两端对称的固定支座，在两个固定支座之间设置有圆柱轴，在所述圆柱轴上安装所述的卷动体，该卷动体为两个滑轮，在每个所述滑轮缠绕一根所述加载绳。

6.根据权利要求2所述的滚珠丝杠副轴向加载装置，其特征在于：在所述模拟工作台上设置有拉压力传感器，该拉压力传感器与所述控制器连接用于反馈控制所述加载电源的输出电流大小，所述加载绳连接在该拉压力传感器上。

7.根据权利要求6所述的滚珠丝杠副轴向加载装置，其特征在于：所述加载绳与所述拉压力传感器中心重合。

8.根据权利要求1所述的滚珠丝杠副轴向加载装置，其特征在于：在所述滚珠丝杠副试验台机身上安装有位于滚珠丝杠副两侧的直线导轨，每侧直线导轨上安装有两块直线导轨滑块，所述模拟工作台设置在所述两块直线导轨滑块上。

9.根据权利要求8所述的滚珠丝杠副轴向加载装置，其特征在于：在所述滚珠丝杠副试验台安装有提供动力源的伺服电机，伺服电机的输出轴进过联轴器与滚珠丝杠副一端相连；滚珠丝杠副一端通过固定端支撑单元安装在固定端支撑单元座上，另一端通过支撑端支撑单元安装在支撑端支撑单元座上；滚珠丝杠副两端各安装有一个旋转编码器；丝杠副试验台机身侧面安装有光栅尺。

10.根据权利要求9所述的滚珠丝杠副轴向加载装置，其特征在于：所述滚珠丝杠副一端通过轴承安装在固定的密封单元支架上，所述滚珠丝杠副的另一端通过轴承安装在轴承座上，滚珠丝杠副螺母通过螺母套安装在模拟工作台下部；所述滚珠丝杠副试验台底座采用中部凹陷结构，凹陷平面上安装有T型槽滑轨；电机座、固定端支撑单元座和支撑端支撑单元座通过槽用螺栓固定在花岗岩底座上，T型槽滑轨中间安装有一个直线导轨，用以保证轴向位置精度。